深孔鏜床一體化刀具對(duì)缸筒加工效率的影響*

秦文偉

(無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無(wú)錫 214028)

0 引言

鏜削加工是機(jī)械加工過(guò)程中諸多加工方法的一種，它的加工過(guò)程就是把工件裝夾在鏜床的工作臺(tái)上或者固定在附近裝置上不動(dòng)，讓刀具主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且使工作臺(tái)移動(dòng)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的鏜削加工。對(duì)鏜床加工技術(shù)的研究，現(xiàn)在主要集中在電氣控制和機(jī)床性能改造兩個(gè)方面，其中李金瑩、陳輝通過(guò)對(duì)連桿加工前狀況的分析和工序加工后要達(dá)到的各項(xiàng)精度進(jìn)行分析，在保證加工效率和精度的同時(shí)，設(shè)計(jì)出臥式高速高精度雙軸連桿鏜床，重點(diǎn)介紹了機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)［1］。華滿香、凌志學(xué)利用三菱FX2N系列PLC對(duì)T68鏜床的改造，采用順序功能流程圖的程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出梯形圖并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，并使編程更趨于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化［2］。下企業(yè)實(shí)踐時(shí)，企業(yè)利用鏜削加工深孔缸筒類(lèi)零件是精加工中的重要工序，影響深孔加工質(zhì)量的影響因素主要有機(jī)床精度、操作不當(dāng)和刀輔具問(wèn)題［3］。針對(duì)刀輔具問(wèn)題所引起的加工質(zhì)量問(wèn)題，企業(yè)采用鏜頭一體化刀具實(shí)現(xiàn)了深孔的高效加工，大大提高了生產(chǎn)效率。

1 一體化鏜床刀具

企業(yè)引進(jìn)的刮削滾光深孔鏜床，制造商為意大利塔基公司，設(shè)備型號(hào)為 FTSeries 450B500×3000 CNC，主要技術(shù)參數(shù):鏜床的中心高為500 mm、床身回轉(zhuǎn)直徑為1 000 mm，最大鏜深3 000 mm，主軸的電機(jī)功率為75 kW，主軸移動(dòng)速度范圍是10～1 000 r/min，刀具旋轉(zhuǎn)速度是10～1 000 r/min。冷卻單元的最大流量為1 600 lt/min，鏜頭的電機(jī)功率為100 kW。刮削滾光深孔鏜床刀具的主要特點(diǎn)為:一次裝夾9把刀具先刮后削實(shí)現(xiàn)一次性鏜削作業(yè)，鏜頭體與主軸的結(jié)合面加長(zhǎng)以提高整體剛性，鏜頭后端通過(guò)液壓控制刀具的伸張以實(shí)現(xiàn)刀具準(zhǔn)確讓刀，鏜孔直徑的微調(diào)是通過(guò)鏜頭前端的調(diào)節(jié)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每把鏜刀前端的導(dǎo)向塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀過(guò)程的導(dǎo)向。并且大流量切屑液沖洗錐孔，避免鐵屑影響主軸的精度。

鏜床一體化刀具關(guān)鍵部件的主要功能為螺紋聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)鏜桿和鏜頭的螺紋鏈接，保證鏜桿和鏜頭液壓通孔準(zhǔn)確對(duì)中;彈簧收縮套桿在鏜削結(jié)束使刀具收縮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讓刀，當(dāng)?shù)毒咄顺鰰r(shí)，為避免刀具在工件已加工面上拉出刀痕，設(shè)置液壓裝置通過(guò)實(shí)現(xiàn)收縮刀具可以實(shí)現(xiàn)有效讓刀;刮削刀具實(shí)現(xiàn)對(duì)切削螺紋的依次刮削;滾珠實(shí)現(xiàn)切削面的強(qiáng)力滾壓;調(diào)節(jié)內(nèi)六方螺栓通過(guò)內(nèi)部錐面實(shí)現(xiàn)切削刀具的微量調(diào)節(jié)。鏜床一體化刀具鏜削缸筒時(shí)的加工過(guò)程，如圖1所示。

由圖1可看出，使用一體化刀具進(jìn)行鏜削時(shí)，鏜削的過(guò)程為“先削次刮后滾”。當(dāng)鏜桿實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏜頭隨著鏜桿在進(jìn)給電機(jī)的帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌做直線水平運(yùn)動(dòng)，三角切削刀具首先進(jìn)行比較厚的吃刀量，實(shí)現(xiàn)首次切削，扁平圓弧刮削刀具先后實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸齒形的牙頂進(jìn)行中度和微度兩次刮削，滾珠在鏜桿公轉(zhuǎn)和自身旋轉(zhuǎn)的受壓情況下實(shí)現(xiàn)缸壁內(nèi)的表面滾光，成型速度比較完好。

圖1 一體化刀具的鏜削過(guò)程

2 鏜削加工效率對(duì)比

以前在加工深孔缸筒時(shí)，采用TKA2140400×3 000 mm進(jìn)行鏜削，由于刀具采用分離式刀具，粗鏜與精鏜分離，精鏜時(shí)滾珠不會(huì)自動(dòng)退縮，依靠半環(huán)手動(dòng)調(diào)整前后位置實(shí)現(xiàn)讓刀，鏜床的動(dòng)作循環(huán)為間歇作業(yè)且僅有一把刀具，效率較低。普通鏜床和刮削滾光深孔鏜床加工深孔缸筒類(lèi)零件的完整工序如圖2和圖3所示。

圖2 普通鏜床加工的工作流程

圖3 一體化刀具鏜床加工的工作流程

由圖2和圖3可知，相比較于普通鏜床，利用一體化刀具鏜孔時(shí)工序較少，依靠整體式刀具，鏜削深孔時(shí)僅使用一道工序，通過(guò)液壓自動(dòng)控制刀具伸張，縮短了更換刀具和半環(huán)的操作時(shí)間，自動(dòng)化程度很高，大大提高了工作效率。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，在鏜削φ400×2 000 mm的缸筒時(shí)，普通推鏜運(yùn)行時(shí)，一般情況下轉(zhuǎn)速(S)為100 r/min，進(jìn)給速度(F)為55 mm/min，一體化刀具鏜削時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速(S)為100 r/min，鏜軸轉(zhuǎn)速(S)為80 r/min，進(jìn)給速度(F)175 mm/min。普通鏜床和一體化刀具鏜削過(guò)程總時(shí)間對(duì)比結(jié)果，如表1所列。

從表1可以看出，從鏜削加工計(jì)算總耗時(shí)可知，一體化刀具鏜削加工效率是普通鏜床加工效率的3倍左右。實(shí)際加工情況是，更換鏜頭時(shí)間和安裝刀具時(shí)間往往出現(xiàn)在批量生產(chǎn)加工之前，單件加工時(shí)不會(huì)重復(fù)操作，批量生產(chǎn)時(shí)間愈長(zhǎng)，更換鏜頭時(shí)間和安裝刀具時(shí)間對(duì)加工效率的影響越小，實(shí)際的加工時(shí)間為技術(shù)加工時(shí)間和測(cè)量調(diào)整時(shí)間之和，此時(shí)，一體化刀具鏜削實(shí)際加工加工效率是普通鏜床加工效率的6倍左右。

表1 鏜削過(guò)程時(shí)間對(duì)比表 /min

3 鏜削加工負(fù)載對(duì)比

采用一體化刀具的刮削滾光深孔鏜床，它的滾光刮削機(jī)鏜刀、滾珠進(jìn)入和退出缸筒的時(shí)間為連續(xù)作業(yè)，而普通鏜床則采用分離式刀具，鏜刀、滾珠進(jìn)入和退出缸筒的時(shí)間為間歇式操作，造成鏜削加工過(guò)程中兩種負(fù)載的差別較大。刮削鏜床加工和普通鏜床加工負(fù)載是隨時(shí)間的變化而變化的，變化曲線如圖4。

圖4 負(fù)載變化曲線圖

由圖4可知，由于刮削鏜床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量比較大，和普通鏜削相比，加工工件的時(shí)間較短，同時(shí)，采用一體化刀具使車(chē)床系統(tǒng)的負(fù)載較低，平穩(wěn)時(shí)段主要集中在中間，約占整個(gè)加工時(shí)間的80%。

4 鏜床主要結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

目前利用計(jì)算機(jī)對(duì)刀具進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的研究很少，數(shù)值模擬理論分析主要集中于鏜桿、軸承、中心架和底座的流場(chǎng)與動(dòng)態(tài)特性研究。其中邵俊鵬通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)有限體積的方法對(duì)重型臥式鏜床靜壓中心架流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了靜壓支承的油腔壓力在整個(gè)油腔面積上是均勻分布的，并且油腔的面積占到總有效面積的2/3以上［4］。所以，支承件和被支承件的局部壓力都不會(huì)承受的較大，這有助于提高支承的耐用性。王洪玉對(duì)精鏜床結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，通過(guò)模態(tài)分析得到模型的基頻呈現(xiàn)出非線性增大的變化趨勢(shì)，而且是隨著鏜桿軸套外圓直徑的增大出現(xiàn)的;鏜桿受力時(shí)，它的模態(tài)分布是呈一定規(guī)律的［5］。因此借鑒鏜床主要結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果，得到了鏜床主要構(gòu)件的各種模態(tài)參數(shù)，為鏜削加工時(shí)鏜床的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及一體化鏜削刀具優(yōu)良的加工效率提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

鏜床采用一體式刀具進(jìn)行鏜削，刀具功能較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)合操作系統(tǒng)參數(shù)化智能操作，減少了退刀、換刀、測(cè)量時(shí)間，大大縮短了加工流程，同時(shí)鏜削時(shí)負(fù)載低緩平穩(wěn)，減小了工件受力時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到了175～250 r/min時(shí)，所加工孔的光潔度達(dá)到了 Ra0.8，圓度達(dá)到了 0.02 μm，提高了精加工的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］ 李金瑩，陳 輝.高速高精度連桿精鏜機(jī)床的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(6):87-90.

［2］ 華滿香，凌志學(xué).三菱FX 2N系列PLC對(duì)T68鏜床的改造［J］.機(jī)床電器，2006(1):31-37.

［3］ 王先逵.車(chē)削鏜削加工［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］ 邵俊鵬.重型臥式鏜車(chē)床靜壓中心架流場(chǎng)的數(shù)值仿真［J］.密封與潤(rùn)滑，2010(7):55-58.

［5］ 王洪玉.基于精鏜床結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)態(tài)特性分析［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2009.